Materials Today Physics：基于MoS2@rGO復合納米材料的高靈敏柔性氣體傳感器

柔性傳感器以及可穿戴式設備已經成為了近期的研究熱點，生物電信號、溫度、以及汗液傳感器已經被研究人員廣泛研究。而與柔性可穿戴氣體傳感器相關的研究還較少，主要的阻礙包含氣敏材料對工作溫度的要求，氣體響應信號與應變產生噪音的剝離，以及對氣體檢測的快速響應與恢復。目前大部分電阻式氣體傳感器的工作溫度較高，能耗較大，且制備的工藝較復雜。

針對這些問題，來自美國賓夕法尼亞州立大學的程寰宇課題組和來自美國東北大學的祝紅麗課題組近期通過在還原氧化石墨烯上可控生長二硫化鉬（MoS₂@rGO）形成敏感材料，利用蛇形導線和應變隔離的設計，成功制作了可拉伸的二氧化氮氣體傳感器。同時利用具有3D多孔結構的激光誘導石墨烯作為電極與加熱裝置，將MoS₂@rGO復合材料涂抹其上，制備了具有自加熱性能的可拉伸二氧化氮氣體傳感器，大大簡化了可穿戴氣體傳感器的制作工藝和增強了實用性。在該項工作中詳細比較分析了這兩種可拉伸氣體傳感器的傳感性能如靈敏度、檢測限、響應/恢復速率等，探究了敏感材料和測量電極的構造對提升傳感信噪比，提升檢測極限的規律。

圖1.?MoS₂@rGO復合納米材料的制備方法與微觀結構。a) 合成過程示意圖，b-d) 不同尺寸的MoS₂@rGO復合納米材料的掃描電子顯微鏡照片。

首先，作者表征了MoS₂@rGO復合納米材料的微觀結構與氣敏特性。MoS₂@rGO復合納米材料的制備應用了溶劑熱法，在二維片層的rGO上原位生長MoS₂納米粒子，并在反應溶劑無水乙醇的體系中添加不同尺寸的氯化鈉晶體顆粒，可以實現對所形成MoS₂@rGO復合納米材料的形貌控制（圖1）。這是因為氯化鈉晶體不溶于乙醇，卻能溶于水，隨著添加氯化鈉晶體的尺寸逐漸變小，MoS₂@rGO復合材料的尺寸也隨著溶劑中氯化鈉晶體顆粒間的空間變小而變小，最終制備得到的MoS₂@rGO復合物比表面積相應提高。通過球磨法調控氯化鈉晶體尺寸，從而實現對MoS₂@rGO復合納米材料的可控制備。將該氣敏材料滴在叉指電極上，氣體傳感器的信號噪音比隨著MoS₂@rGO復合材料的尺寸變小而從22.4提高到60.4（圖2），歸功于更為精細的納米材料與電極可以形成更好的接觸。

圖2.?不同尺寸的MoS₂@rGO復合納米材料對1 ppm二氧化氮的響應。a) 合成過程中未添加氯化鈉晶體，b）合成過程中添加未研磨的氯化鈉晶體，c）合成過程中添加了經過研磨的氯化鈉晶體，d）合成過程中添加了經過研磨的超精細氯化鈉晶體。

隨后，作者將MoS₂@rGO復合納米材料滴在利用紫外激光切割而成的聚酰亞胺/金叉指電極，將電極整合在柔軟的Ecoflex基底上并將電極通過蛇形蜿蜒的導電層連接至萬用表，從而制備了柔性可拉伸氣體傳感器。該柔性傳感器可以適應各種彎曲表面，并能承受20%的拉伸應變（圖3）, 同時在拉伸的狀態下能獲得更低的檢測限（5.6 ppb）。

圖3.?基于MoS₂@rGO復合納米材料的柔性氣體傳感器可以適應不同的形變（圖a-c）并避免在形變中出現損壞，最多可以承受20%的拉伸應力（圖d），并且在拉伸的狀態下具有更低的檢測限（圖e）。

最后，作者為了簡化氣體傳感器的結構，使用了激光誘導石墨烯同時作為電極材料和加熱器，制備了基于MoS₂@rGO復合納米材料的NO₂傳感器。激光誘導石墨烯可以較為方便的通過CO₂激光燒蝕商用聚酰亞胺薄膜制備，隨后選擇性的在激光誘導石墨烯局部滴加納米銀墨水和MoS₂@rGO復合納米材料完成柔性氣體傳感器的制備。通過控制激光誘導石墨烯的幾何尺寸來調控傳感器的性能，當其長度為2 mm，寬度為75μm時，所制備的氣體傳感器能夠在外接測量電路提供電壓時自加熱到60 ℃，顯著加快氣體傳感器的響應和恢復速度，并且維持極為出色的信號噪音比（1026.9）。

圖4.?基于MoS₂@rGO復合納米材料的柔性氣體傳感器可以適應不同的形變（圖a-c）并避免在形變中出現損壞，最多可以承受20%的拉伸應力（圖d），并且在拉伸的狀態下，具有更低的檢測限(圖e)。

本論文的第一作者為賓夕法尼亞州立大學的衣寧博士，美國東北大學和華南理工大學聯合培養的程崢博士，和廈門大學的李寒博士。該工作目前在線發表于領域著名期刊Materials Today Physics (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529320300894)

本文由作者團隊供稿。